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IPv6

一个IPv4地址仅占32bit，而一个IPv6地址占128bit。

报头

IPv6报头的结构如下所示：

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version| Traffic Class |           Flow Label                  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Payload Length        |  Next Header  |   Hop Limit   |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         Source Address                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                      Destination Address                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  1. <Version>表示互联网协议版本号，在IPv6中是一个4bit的数字0110，表示6。
  2. <Traffic Class>表示流类别，等价于IPv4中的TOS字段。该字段长度为8bit，表示数据包的类或优先级，应用于QoS。
  3. <Flow Label>表示流标签，字段长度为20bit。这是IPv6的新增字段，用于区分实时流量。一组流标签和源地址可以唯一确定一个数据流。
  4. <Payload Length>表示有效载荷长度，字段长度为16bit，单位为8byte。这里的有效载荷指的是数据包中除IPv6报头以外的其他部分，当有效载荷长度超过UINT16_MAX时，该字段置零，真正的长度用IPv6扩展报头中的超大有效载荷字段表示。
  5. <Next Header>表示下一个报头，字段长度为8bit。用于定义紧跟在IPv6报头后面的第一个扩展报头的类型。
  6. <Hop Limit>表示条数限制，字段长度为8bit，作用等价于IPv4报头中的<TTL>字段，即每经过一个节点自减一次。如果路由器收到数据包时，<HOP LIMIT>为零或者自减为零，则丢弃该数据包。
  7. <Source Address>：源地址，字段长度为128bit。
  8. <Destination Address>：目标地址，字段长度为128bit。

一个IPv6数据包可以携带任意数量个IPv6扩展报头，每个扩展报头的类型都由前一个报头的<Next Header>字段标识。路由器不会添加、删除和更改IPv6扩展报头。目前已规定的扩展报头如下表所示，每个扩展包括必须按照顺序出现，且最多只出现一次（目的选项报头可以出现两次）：

出现顺序 报头/扩展报头名称 <Next Header>值 作用
① IPv6报头
② 逐跳选项报头（Hop-by-Hop Options） 0 用于有效载荷过长的情况、设备提示和资源预留
③/⑧ 目的选项报头（Destination Options） 60 携带数据包途径节点需要处理的信息，用于移动IPv6
③表示途径路由器对应的节点
⑧表示目标地址对应的节点
④ 路由报头（Routing） 43 强制指定数据包必须经过特定的节点
⑤ 分段报头（Fragment） 44 用于数据包长度过长的情况，受MTU长度限制而分段
⑥ 认证报头（Authentication） 51 用于IPsec的身份认证、数据完整性校验、重放检测、报头字段防篡改
⑦ 封装安全报头（Encapsulating Security Payload） 50 用于IPsec的身份认证、数据完整性校验、数据报内容加密

$$ 举例:\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline \underset{\mathrm{next_header}=\mathrm{Routing}}{\mathrm{IPv6报头}} & \underset{\mathrm{next_header}=\mathrm{Fragment}}{\mathrm{IPv6扩展报头(Routing)}} & \underset{\mathrm{next_header}=\mathrm{TCP}}{\mathrm{IPv6扩展报头(Fragment)}} & \mathrm{TCP报头}+\mathrm{数据} \ \hline \end{array} $$

寻址方式

根据RFC 3513的规定，IPv6地址有三种表示方式：

  • x:x:x:x:x:x:x:x。其中每个x都是一个16bit的字，用4个Hex字符表示，例如1234:0:0:CDEF:1234:0:0:0。
  • 使用::压缩一段连续的0。如果地址中包含多段连续的0，则::最好用于表示最长的一段连续0。例如上面的示例地址最好表示为1234:0:0:CDEF::，也可以表示为1234::CDEF:1234:0:0:0。一个地址中最多只能出现一次::。
  • x:x:x:x:x:x:d.d.d.d。其中每个x都是一个16bit的字，用4个Hex字符表示（可以省略前导零，使用更少字符表示）；每个d都是一个8bit的字，用3个Dec字符表示。

与IPv4地址的CIDR表示法类似（例如127.0.0.1/24），IPv6地址使用<IPv6_ADDRESS>/<PREFIX_LENGTH>表示地址前缀。

IPv6的地址分为三种：单播（Unicast）、任播（Anycast）和多播（Multicast），各自对应着自己的寻址方式。

  • 单播（Unicast）：单个接口的标识符，只发送到这一个接口。
  • 任播（Anycast）：一组接口的标识符，只发送到路由协议规定的、距离最短的接口。
  • 多播（Multicast）：一组接口的标识符，发送到其中的所有接口。
地址类型 IPv6地址前缀
未指定（Unspecified） ::/128
环回（Loopback） ::1/128
多播（Multicast） FF00::/8
链路本地单播（Link-local Unicast） FE80::/10
站点本地单播（Sute-local Unicast） FEC0::/10
全球单播（Global Unicast） 其他任何地址

未指定地址::不能分配给任何节点，也不能作为IPv6数据包的目标地址，也不会被路由器转发。

环回地址::1指代节点自身的地址，不能分配给任何物理接口，也不会被路由器转发。

全球单播地址由三部分组成：<GLOBAL_ROUTING_PREFIX><SUBNET_ID><INTERFACE_ID>。其中<GLOBAL_ROUTING_PREFIX>和<SUBNET_ID>两部分相加均为64bit，以000为开头的IPv6地址除外。这类特例地址指的是嵌入了IPv4地址的IPv6地址，以实现对IPv4的兼容性。

链路本地单播地址的格式为<GLOBAL_ROUTING_PREFIX><SUBNET_ID><INTERFACE_ID>，其中<GLOBAL_ROUTING_PREFIX>为1111111010的10bit常量，<SUBNET_ID>为全零的54bit常量，剩余64bit的<INTERFACE_ID>可以自由选择。链路本地单播适用于自动配置地址、邻居搜索、链路无路由器等情况。路由器不会将链路本地单播地址的数据包转发到其他链路。

站点本地单播地址的格式为<GLOBAL_ROUTING_PREFIX><SUBNET_ID><INTERFACE_ID>，其中<GLOBAL_ROUTING_PREFIX>为1111111011的10bit常量，<SUBNET_ID>为任意选择的54bit，剩余64bit的<INTERFACE_ID>也可以自由选择。站点本地单播用于站点内部的寻址。路由器不会将站点本地单播地址的数据包转发到其它站点。

任播地址的格式为<SUBNET_PREFIX><INTERFACE_ID>，其中<SUBNET_PREFIX>是长度任意的随机值，<INTERFACE_ID>全为零。它可以分配给多个不同的接口，也就是说每个接口可以分配相同的单播地址。根据路由协议提供的距离，路由器会将数据包发送至距离最短的接口。目前为了安全起见，任播地址禁止作为数据包的源地址，只能分配给路由器，不能分配给主机。

多播地址的格式为11111111<FLGS><SCOP><GROUP_ID>，其中<FLGS>为4bit，前3bit全为0，后1bit分为两种情况：为0时表示有IANA永久分配的多播地址，为1时表示非永久分配的多播地址。<SCOP>长为4bit，其含义如下表所示。<GROUP_ID>为任意选择的112bit。目前FF0?::系列的16个多播地址均被保留，不能分配和使用。特殊地，下标还展示了一系列被预先占用的多播地址。

多播地址<SCOP>取值 含义 具体说明
1 接口本地域（Interface-local Scope） 仅跨域节点上的单个接口，仅作用于环回的多播
2 链路本地域（Link-local Scope） 仅作用于同一链路内
4 管理本地域（Admin-local Scope） 进行惯例配置的最小范围
5 站点本地域（Site-local Scope） 仅作用于同一链路内
8 组织本地域（Organization-local Scope） 跨越单个组织的多个站点
E 全球域（Global Scope）
0/3/F 保留（Reserved）
6/7/9/A/B/C/D 尚未分配（Unassigned） 可以自定义多播区域
多播地址 含义
FF01::1 接口本地的所有节点
FF02::1 链路本地的所有节点
FF01::2 接口本地的所有路由器
FF02::2 链路本地的所有路由器
FF05::2 站点本地的所有路由器
FF02::1:FF??:???? 请求节点多播地址，将FF02::1:FF00:0/104与IPv6地址的低24位拼接而成，用于减少节点必须假如的多播地址的数量